Severe or therapy-resistant asthma is increasingly recognised as a major unmet need. A Task Force, supported by the European Respiratory Society and American Thoracic Society, reviewed the definition and provided recommendations and guidelines on the evaluation and treatment of severe asthma in children and adults. A literature review was performed, followed by discussion by an expert committee according to the GRADE (Grading of Recommendations, Assessment, Development and Evaluation) approach for development of specific clinical recommendations. When the diagnosis of asthma is confirmed and comorbidities addressed, severe asthma is defined as asthma that requires treatment with high dose inhaled corticosteroids plus a second controller and/or systemic corticosteroids to prevent it from becoming "uncontrolled" or that remains "uncontrolled" despite this therapy. Severe asthma is a heterogeneous condition consisting of phenotypes such as eosinophilic asthma. Specific recommendations on the use of sputum eosinophil count and exhaled nitric oxide to guide therapy, as well as treatment with anti-IgE antibody, methotrexate, macrolide antibiotics, antifungal agents and bronchial thermoplasty are provided. Coordinated research efforts for improved phenotyping will provide safe and effective biomarker-driven approaches to severe asthma therapy.

Summary

Background

 Interleukin-5 (IL-5) is essential for the formation of eosinophils, which are thought to have a major role in the pathogenesis of asthma and other allergic diseases. We aimed to assess the effects of monoclonal antibody to IL-5 on blood and sputum eosinophils, airway hyperresponsiveness, and the late asthmatic reaction to inhaled allergen in patients with mild asthma. 

Methods

 We did a double-blind randomised placebo-controlled trial, in which a single intravenous infusion of humanised (IgG-k) monoclonal antibody to IL-5 (SB-240563) was given at doses of 2·5 mg/kg (n=8) or 10·0 mg/kg (n=8). The effects of treatment on responses to inhaled allergen challenge, sputum eosinophils, and airway hyper-responsiveness to histamine were measured at weeks 1 and 4 with monitoring of blood eosinophil counts for up to 16 weeks. 

Findings

 Monoclonal antibody against IL-5 lowered the mean blood eosinophil count at day 29 from 0·25x10⁹/L (95% CI 0·16-0·34) in the placebo group to 0·04x10⁹/L (0·00-0·07) in the 10 mg/kg group (p<0·0001), and prevented the blood eosinophilia that follows allergen challenge. After inhaled allergen challenge, 9 days after treatment, the percentage sputum eosinophils were 12·2% in the placebo group and lowered to 0·9% (−1·2 to 3·0; p=0·0076) in the 10 mg/kg group, and this effect persisted at day 30 after the dose. There was no significant effect of monoclonal antibody to IL-5 on the late asthmatic response or on airway hyperresponsiveness to histamine. 

Interpretation

 A single dose of monoclonal antibody to IL-5 decreased blood eosinophils for up to 16 weeks and sputum eosinophils at 4 weeks, which has considerable therapeutic potential for asthma and allergy. However, our findings question the role of eosinophils in mediating the late asthmatic response and causing airway hyper-responsiveness.

Asthma is characterized by the presence of an inflammatory cell infiltrate in the bronchial mucosa consisting of activated mast cells, eosinophils, and T cells. Several cytokines are considered to play a pivotal role in this response, particularly interleukin (IL)-4, IL-5, IL-6, and tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha). In this study, we have used immunohistochemistry applied to thin glycol methacrylate sections of bronchial mucosal biopsies to define the cellular provenance of these cytokines in normal and asthmatic airways. Both the asthmatic and normal mucosa contained numerous cells staining positively for all four cytokines, with the majority identified as mast cells by their tryptase content. Eosinophils also accounted for some IL-5 immunostaining in the asthmatic biopsies. By using two monoclonal antibodies directed to different epitopes of IL-4, we provide tentative evidence for enhanced IL-4 secretion in asthma. Similarly, a sevenfold increase in the number of mast cells staining for TNF-alpha in the asthmatic biopsies suggests that this cytokine is also up-regulated in this disease. These findings clearly identify human mast cells as a source of IL-4, IL-5, IL-6, and TNF-alpha and add to the view that, along with T cells, mast cells may play an important role in initiating and maintaining the inflammatory response in asthma.

A thickened bronchial epithelial basement membrane has long been regarded as a histopathologic characteristic of bronchial asthma. As we had previously demonstrated that this phenomenon is due to the deposition of interstitial collagens and fibronectin, we have now sought to determine the nature of the cell responsible for this process by studying endobronchial biopsies from eight normal and seven asthmatic volunteers by immunohistochemistry and electron microscopy. Biopsies were stained with PR 2D3, a monoclonal antibody to myofibroblasts of the pericrypt sheath of the colon and a monoclonal antibody to alpha-smooth muscle actin. The thickness of the subepithelial collagen and the organelle content of the cells therein were determined by electron microscopy.The subepithelial collagen thickness in the normal subjects ranged from 2.16 to 6.26 µm, while that in the asthmatic subjects ranged from 3.75 to 11.1 µm (Mann-Whitney test; P = 0.05). Elongated cells in the collagen layer were identified by staining with PR 2D3. As this antibody also stains smooth muscle, consecutive frozen sections were stained for alpha-smooth muscle actin and the number of positive cells per millimeter of basement membrane was subtracted from the count for PR 2D3. This yielded a count of 4.9 to 9.4 cells/mm in the normal subjects and 11.9 to 20.6 cells/mm in the asthmatics (P = 0.001). There was a highly significant correlation between the depth of subepithelial collagen and the number of PR 2D3-positive, alpha-smooth muscle actin-positive cells (Spearman rank correlation; r = 0.764 and P = 0.006). Electron microscopy confirmed the myofibroblastic nature of these cells. We propose that bronchial myofibroblasts are responsible for the characteristic subepithelial fibrosis seen in allergic asthma.

The effect of inhaled corticosteroid therapy on airway mucosal inflammation was investigated in 10 symptomatic atopic asthmatic patients treated with inhaled albuterol and whose disease severity required preventative antiinflammatory treatment. Endobronchial biopsies were obtained by fiberoptic bronchoscopy before and after 6 wk of therapy with inhaled beclomethasone dipropionate (2,000 µg/day for 2 wk followed by 1,000 µg/day for 4 wk). Following treatment, there was a significant increase in mean morning peak expiratory flow (p < 0.05) and baseline FEV1 measured on the day of methacholine challenge (p < 0.05) and a decrease in asthma symptoms (p < 0.01), peak expiratory flow variation (p < 0.05), and albuterol usage (p < 0.05). This was accompanied by a sevenfold decrease in airway responsiveness (p = 0.001). The clinical improvement in asthma was associated with a significant (p < 0.05) reduction in epithelial and mucosal mast cells and eosinophils and submucosal T lymphocytes, but electron microscopy did not identify any changes in the extent of mast cell and eosinophil degranulation following treatment. Because of the association between the decrease in inflammatory cell numbers and the improvement in all the measured clinical and physiologic indices of asthma, we suggest that the beneficial effect of inhaled corticosteroids in asthma may be attributed to their antiinflammatory action in the bronchial mucosa.

IgE plays an important role in allergic asthma. We hypothesized that reducing IgE in the airway mucosa would reduce airway inflammation. Forty-five patients with mild to moderate persistent asthma with sputum eosinophilia of 2% or more were treated with humanized monoclonal antibody against IgE (omalizumab) (n = 22) or placebo (n = 23) for 16 weeks. Outcomes included inflammatory cells in induced sputum and bronchial biopsies, and methacholine responsiveness. Treatment with omalizumab resulted in marked reduction of serum IgE and a reduction of IgE+ cells in the airway mucosa. The mean percentage sputum eosinophil count decreased significantly (p < 0.001) from 6.6 to 1.7% in the omalizumab group, a reduction significantly (p = 0.05) greater than with placebo (8.5 to 7.0%). This was associated with a significant reduction in tissue eosinophils; cells positive for the high-affinity Fc receptor for IgE; CD3+, CD4+, and CD8+ T lymphocytes; B lymphocytes; and cells staining for interleukin-4, but not with improvement in airway hyperresponsiveness to methacholine. This study shows antiinflammatory effects of omalizumab treatment and provides clues for mechanisms whereby omalizumab reduces asthma exacerbations and other asthma outcomes in more severe asthma. The lack of effect of omalizumab on methacholine responsiveness suggests that IgE or eosinophils may not be causally linked to airway hyperresponsiveness to methacholine in mild to moderate asthma.

In order to investigate the relationship between airways inflammation and disease severity, and improve the understanding of persistent asthma, 74 asthmatics, with disease severity ranging from intermittent, to mild to moderate and severe persistent (classified according to the Global Initiative for Asthma [GINA] guidelines), and 22 nonatopic control subjects were studied using the method of induced sputum. Sputum was analyzed for total and differential cell counts concentrations of albumin, and levels of eosinophil cationic protein (ECP), myeloperoxidase (MPO), and tryptase, inflammatory mediators reflecting eosinophil, neutrophil, and mast cell activation. Asthma severity (assessed by FEV1, peak expiratory flow [PEF] variability, and daily symptom scores) and methacholine airways responsiveness were related to sputum eosinophilia and ECP. In addition, sputum neutrophilia and MPO levels correlated, albeit weakly, with PEF variability and symptom scores, respectively. Tryptase concentrations were raised in mild to moderate asthmatics. Albumin concentrations were significantly raised across the spectrum of asthma severity and correlated with those of tryptase and ECP. Despite treatment with either high doses of inhaled corticosteroids or oral corticosteroids, prominent eosinophilic inflammation with raised ECP was noted. This study points to persistent, disease severity–related airways inflammation in asthma, involving eosinophils, mast cells, and neutrophils, which is evident despite treatment with corticosteroids. Louis R, Lau LCK, Bron AO, Roldaan AC, Radermecker M, DjukanovićR. The relationship between airways inflammation and asthma severity.

As physiologic and autopsy evidence suggests that peripheral airways and parenchyma are involved in asthma, we hypothesized that significant alveolar tissue inflammation is present in patients with stable, chronic asthma. Eleven patients with nocturnal asthma (NA) and 10 patients with non-nocturnal asthma (NNA) were studied. Each subject underwent two bronchoscopies with proximal airway endobronchial and distal alveolar tissue transbronchial biopsy in a random order at 4:00 P.M. and 4:00 A.M. Morphometric analysis was used to determine the number per volume (Nv) of inflammatory cells. Between-group comparisons showed that the Nv of eosinophils was greater in the NA alveolar tissue 4:00 A.M. compared with the subjects with NNA (40.2 x 10(3) [26.4-57.1 x 10(3), IQ] versus 15.7 x 10(3) [2.1-35.2 x 10(3), IQ], p = 0.05). In regard to the airway biopsies, no difference in the inflammatory and epithelial cells between the two groups was seen at either time. The NA group exhibited greater eosinophils and macrophages in the alveolar tissue at 4:00 A.M. compared with 4:00 P.M. (40.2 x 10(3) [26.4-57.1 x 10(3), IQ] versus 10.3 x 10(3) [2.7-16.8 x 10(3), IQ], p = 0.016 for eosinophils and 215.1 x 10(3) [129.9-356.1 x 10(3), IQ] versus 166.3 x 10(3) [150.7-212.6 x 10(3), IQ], p = 0.031 for macrophages). Only alveolar tissue eosinophils, not proximal airway tissue eosinophils, correlated with the nocturnal decrement in lung function (r = -0.54, p = 0.03). These findings suggest that eosinophils and macrophages accumulate to a greater extent in the alveolar tissue and these changes contribute more to the variation in lung function compared with inflammation in the more proximal tissue.

BackgroundAsthma is a complex disease involving gene and environment interactions. Although atopy is a strong predisposing risk factor for asthma, local tissue susceptibilities are required for disease expression. The bronchial epithelium forms the interface with the external environment and is pivotally involved in controlling tissue homeostasis through provision of a physical barrier controlled by tight junction (TJ) complexes.ObjectivesTo explain the link between environment exposures and airway vulnerability, we hypothesized that epithelial TJs are abnormal in asthma, leading to increased susceptibility to environmental agents.MethodsLocalization of TJs in bronchial biopsies and differentiated epithelial cultures was assessed by electron microscopy or immunostaining. Baseline permeability and the effect of cigarette smoke and growth factor were assessed by measurement of transepithelial electrical resistance and passage of fluorescently labeled dextrans.ResultsBy using immunostaining, we found that bronchial biopsies from asthmatic subjects displayed patchy disruption of TJs. In differentiated bronchial epithelial cultures, TJ formation and transepithelial electrical resistance were significantly lower (P < .05) in cultures from asthmatic donors (n = 43) than from normal controls (n = 40) and inversely correlated with macromolecular permeability. Cultures from asthmatic donors were also more sensitive to disruption by cigarette smoke extract. Epidermal growth factor enhanced basal TJ formation in cultures from asthmatic subjects (P < .01) and protected against cigarette smoke–induced barrier disruption (P < .01).ConclusionsOur results show that the bronchial epithelial barrier in asthma is compromised. This defect may facilitate the passage of allergens and other agents into the airway tissue, leading to immune activation and may thus contribute to the end organ expression of asthma. Asthma is a complex disease involving gene and environment interactions. Although atopy is a strong predisposing risk factor for asthma, local tissue susceptibilities are required for disease expression. The bronchial epithelium forms the interface with the external environment and is pivotally involved in controlling tissue homeostasis through provision of a physical barrier controlled by tight junction (TJ) complexes. To explain the link between environment exposures and airway vulnerability, we hypothesized that epithelial TJs are abnormal in asthma, leading to increased susceptibility to environmental agents. Localization of TJs in bronchial biopsies and differentiated epithelial cultures was assessed by electron microscopy or immunostaining. Baseline permeability and the effect of cigarette smoke and growth factor were assessed by measurement of transepithelial electrical resistance and passage of fluorescently labeled dextrans. By using immunostaining, we found that bronchial biopsies from asthmatic subjects displayed patchy disruption of TJs. In differentiated bronchial epithelial cultures, TJ formation and transepithelial electrical resistance were significantly lower (P < .05) in cultures from asthmatic donors (n = 43) than from normal controls (n = 40) and inversely correlated with macromolecular permeability. Cultures from asthmatic donors were also more sensitive to disruption by cigarette smoke extract. Epidermal growth factor enhanced basal TJ formation in cultures from asthmatic subjects (P < .01) and protected against cigarette smoke–induced barrier disruption (P < .01). Our results show that the bronchial epithelial barrier in asthma is compromised. This defect may facilitate the passage of allergens and other agents into the airway tissue, leading to immune activation and may thus contribute to the end organ expression of asthma.

U-BIOPRED is a European Union consortium of 20 academic institutions, 11 pharmaceutical companies and six patient organisations with the objective of improving the understanding of asthma disease mechanisms using a systems biology approach. This cross-sectional assessment of adults with severe asthma, mild/moderate asthma and healthy controls from 11 European countries consisted of analyses of patient-reported outcomes, lung function, blood and airway inflammatory measurements. Patients with severe asthma (nonsmokers, n=311; smokers/ex-smokers, n=110) had more symptoms and exacerbations compared to patients with mild/moderate disease (n=88) (2.5 exacerbations versus 0.4 in the preceding 12 months; p<0.001), with worse quality of life, and higher levels of anxiety and depression. They also had a higher incidence of nasal polyps and gastro-oesophageal reflux with lower lung function. Sputum eosinophil count was higher in severe asthma compared to mild/moderate asthma (median count 2.99% versus 1.05%; p=0.004) despite treatment with higher doses of inhaled and/or oral corticosteroids. Consistent with other severe asthma cohorts, U-BIOPRED is characterised by poor symptom control, increased comorbidity and airway inflammation, despite high levels of treatment. It is well suited to identify asthma phenotypes using the array of “omic” datasets that are at the core of this systems medicine approach.